НОУ ИНТУИТ | Интеллектуальные сенсоры. Лекция 8: Физические основы работы и классификация электрических сенсоров. Резистивные, емкостные и импедансные сенсоры

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1610 / 261 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00

ISBN: 978-5-9963-0124-9

Темы: Искусственный интеллект и робототехника, Аппаратное обеспечение

Специальности: Разработчик аппаратуры

|

Вам нравится? Нравится 35 студентам

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

Ответы

Ответы на вопросы

1. Электрические сенсоры классифицируют по физическому принципу действия их чувствительного элемента на активные и пассивные. Пассивные классифицируют по виду той конкретной электрической характеристики, которая изменяется под влиянием контролируемого фактора, на: резистивные, ёмкостные, импедансные, вольтаические, токовые. Активные чувствительные элементы обычно считают токовыми. Дальше электрические сенсоры можно классифицировать на подвиды в зависимости от того, под действием какого именно внешнего фактора изменяются их электрические характеристики.

2. "Трансдьюсер" – это преобразователь сигналов из одной физической формы в другую. Электрические сенсоры, в частности, преобразуют механические, акустические и другие виды сигналов в электрическую форму. Поскольку микрокомпьютер в интеллектуальных сенсорах работает именно с электрическими сигналами, то в большинстве таких сенсоров, независимо от их вида, в качестве трансдьюсеров применяют электрические сенсоры.

3. Терморезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Термисторами называют полупроводниковые терморезисторы.

4. Фоторезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых уменьшается при освещении. Это связано с внутренним фотоэффектом – генерированием в веществе при поглощении квантов света дополнительных свободных носителей электрического заряда. Спектральная характеристика фоторезистора – это зависимость его чувствительности от длины волны или от частоты падающего света.

5. Пьезорезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых зависит от механического напряжения. Их применяют для измерения силы, давления, механического напряжения, деформации, для фиксации даже легчайших прикосновений. В составе интеллектуальных сенсоров они позволяют измерять распределение механических нагрузок по поверхности опоры и их изменение во времени (динамику). Такие сенсоры могут сигнализировать об угрожающей локальной или общей перегрузке, фиксировать и отслеживать перемещение объектов по опоре и т.д.

6. Гигристорами называют чувствительные элементы из материалов, электрическое сопротивление которых зависит от влажности окружающего воздуха. Их применяют в сенсорах влажности. В составе интеллектуального сенсора можно учесть влияние температуры, некоторое запаздывание изменения электрического сопротивления гигристора при быстрых изменениях влажности воздуха, запоминать динамику изменений влажности за определенный период для документирования, прогнозирования и т.д.

7. В магниторезистивных датчиках используется способность некоторых материалов существенно изменять свою электропроводность в зависимости от направления и величины внешнего магнитного поля. Чаще всего применяют пленки пермаллоя ( NiFe ), а датчик состоит из 4 пермаллоевых пленочных резисторов, напыленных на поверхность кремния и соединенных в виде мостовой измерительной схемы. В том же кристалле кремния формируют электронные схемы усиления и обработки сигналов.

8. Явление гигантского магнетосопротивления состоит в том, что электрическое сопротивление многослойных структур Fe/Cr , состоящих из очень тонких (~100 нм) слоев с противоположно ориентированными доменами, может сильно и быстро изменяться под действием внешнего магнитного поля. Его уже применяют в сверхбыстрых ГМС головках для записи и считывания информации с жестких магнитных дисков, где оно позволило резко улучшить характеристики последних.

9. Примерами ёмкостных электрических сенсоров являются, в частности, описанные в данной лекции: а) сенсор линейного перемещения, в котором при перемещении внутреннего стержня цилиндрического конденсатора изменяется его ёмкость; б) сенсор давления, в котором ёмкость плоского конденсатора меняется при изменении внешнего давления и соответственно расстояния между пластинами; в) сенсор уровня жидкости, в котором емкость измерительного конденсатора прямо зависит от уровня жидкости; г) гребенчатые газовые сенсоры, в которых ёмкость между двумя гребенчатыми электродами меняется в зависимости от наличия и концентрации в атмосфере молекул определенных паров или газов.

10. В ёмкостных сенсорах существенным является только изменение электрической ёмкости чувствительного элемента. Измерение её проводят либо на постоянном токе, либо на переменном токе высокой частоты. В импедансных сенсорах существенно не только изменение ёмкости, но и изменение активного сопротивления чувствительного элемента. Измерения импеданса проводят на оптимальных средних частотах. Информативным может быть, скажем, и сдвиг фазы между переменным током и напряжением.

11. На изолирующей подложке формируют вставленные друг в друга гребенчатые пленочные электроды, поверх которых наносят пленку из материала, чувствительного к составу внешней среды. Ёмкость или импеданс промежутка между гребенчатыми электродами меняются в зависимости от состава внешней среды. Избирательность такого чувствительного элемента зависит от состава и структуры нанесенной поверх электродов пленки, точнее от того, какие молекулы окружающей среды она преимущественно сорбирует, и как изменяется при этом её комплексная диэлектрическая постоянная.

Ответы к упражнениям

Упражнение 8.1. Таблица соответствия

1	2	3	4	5	6	7	8	9
д)	г)	д)	д)	а)	б)	д)	в)	д)
Б)	А)	Б)	Б)	А)	А)	Б)	А)	Б)

Упражнение 8.2. Резистивные и ёмкостные микрофоны отнесены к классу акустических, потому что первичные информационные сигналы в них имеют вид акустической волны. Это, например, – звуки живой речи, музыка, отраженный от преграды эхо-сигнал и т.д. В качестве чувствительных элементов в них действительно используются электрические сенсоры: резистивные (угольный или графитовый порошок, электрическое сопротивление которого уменьшается с возрастанием давления воздуха) или емкостные (мембрана, вибрирующая под влиянием акустических сигналов, служит одновременно и одной из обкладок конденсатора). Но, кроме чувствительного электрического элемента, микрофон имеет еще и корпус специальной конструкции, обеспечивающей определенную направленность и защиту от посторонних воздействий, средства крепления и ориентирования микрофона, встроенные схемы усиления и фильтрации сигналов и т.д. Чувствительный электрический элемент применяется в нём в качестве трансдьюсера – преобразователя акустических сигналов в электрическую форму.

Упражнение 8.3. Таблица соответствия

1	2	3	4	5	6	7	8
б)	а)	в)	г)	г)	е)	е)	д)

Упражнение 8.4.

Вариант 1. Подставляя данные задачи в ф-лу (8.1), находим $1/R_{\text{е}}=1/3+1/60+1/120=43/120$ ; $R_{\text{е}}=120/43;$ $T_{\text{Т}} = 120/43\times(450/3 + 270/60 + 300/120 +6\times 10^{-4}) \approx 438,2$ ; $\Delta T\approx 450 - 438,2 =11,8^{\circ}$

Вариант 2. $\Delta Т \approx 9,9^{\circ}$ .

Вариант 3. $\Delta Т \approx 4,9^{\circ}$ .

Вариант 4. $\Delta Т \approx 1,3^{\circ}$ .

Упражнение 8.5.

Вариант 1. Относительное изменение сопротивления платинового терморезистора $\Delta R/R_0 = \alpha\times\Delta Т = 0,00392 (750 – 273) \approx 1,87 = 187%.$

Вариант 2. $\Delta R/R_0 \approx 5,75$ .

Вариант 3. $\Delta R/R_0 \approx 0,61 = 61%$ .

Вариант 4. $\Delta R/R_0 \approx 0,288 = 28,8%$ .

Вариант 5. Из формулы (8.2) имеем: $Т = Т_0 + (R – R_0)/(\alpha R_0)$ . Подставляя данные из задачи, находим: $Т = 273 + 500/(0,00392\times 1000) \approx 400 \textit{ К}$ .

Упражнение 8.6.

Вариант 1. Относительное изменение электрической ёмкости цилиндрического конденсатора при перемещении его сердечника на расстояние х находим из ф-лы (8.3): $\Delta C = 2\pi\varepsilon_0 х /\ln(r/R),\quad \Delta C/C = x/l$ .

Подставляя данные задачи, находим: $\Delta C/C = 0,01 \text{ мм} /10 \text{ мм} = 0,001 = 0,1%$ . Чтобы надежно фиксировать перемещения объекта на 10 мкм, ёмкость надо измерять с точностью выше 0,1%, например, с точностью 0,05%. В результате теплового расширения соотношение ( r/R ) в формуле (8.3) не изменяется. А вот длина – изменяется. И это повлияет на результат измерения.

Вариант 2. Относительное изменение электрической ёмкости плоского конденсатора при изменении расстояния между его обкладками на величину находим из ф-лы (8.4): $\Delta C = \varepsilon \varepsilon_0 Sх/[d(d + х)] \approx \varepsilon \varepsilon_0 Sх/(d^2);\; \Delta C/C = х/d$ . Подставляя данные задачи, находим: $\Delta C/C = 1 \text{ мкм}/250 \text{ мкм} = 0,004 = 0,4%$ . Чтобы надежно фиксировать перемещения объекта на 1 мкм, ёмкость надо измерять с точностью выше 0,4%, например, с точностью 0,2%.

Вариант 3. Используя формулу (8.4), находим, что исходная ёмкость плоского конденсатора равна $С_0 = 24,1\varepsilon_0 S/0,25$ , а после указанных в задаче изменений $C= 25,4\varepsilon_0 S/0,249$ . Относительное изменение

$\Delta C/C_0 = (25,4/0,249 – 24,1/0,25) / (24,1/0,25) \approx 0,058 = 5,8%.$

Вариант 4. Чувствительный элемент сенсора можно рассматривать здесь как два параллельно соединенных конденсатора, в одном из которых пространство между пластинами заполнено жидкостью, а в другом – воздухом. Ёмкость конденсатора, заполненного жидкостью, обозначим $C_{\text{ж}}$ , а заполненного воздухом – через $C_{\text{в}}$ . В соответствии с формулой (8.4) $C_{\text{ж}} = \varepsilon\varepsilon_0lH_1/d$ , а $C_{\text{в}} = \varepsilon_0 l(H – H_1)/d$ . Суммарная ёмкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме: $C_1 = C_{\text{ж}} + C_{\text{в}} = (\varepsilon_0 l/d)(\varepsilon H_1 + H - H_1)$ . Для случая, когда уровень жидкости находится на высоте H_2 , получаем аналогичное выражение: $C_2 = C_{\text{ж}} + C_{\text{в}} = (\varepsilon_0 l/d)(\varepsilon H_2 + H - H_2)$ . Отсюда находим соотношение ёмкостей $C_1/C_2 = (\varepsilon H_1 + H – H_1) /(\varepsilon H_2 + H – H_2)$ . Подставляя данные задачи, имеем: $C_1/C_2 = (24,2\times 1950 + 2000 –1950)/(24,2\times 5 + 2000 – 5) \approx 22,3$ . Выражение для относительной точности измерения емкости можно найти из выражения С1 = (?0l/d)(?Н1 + Н – Н1) . Из него видно, что приращение ёмкости при изменении высоты уровня жидкости на $\Delta H_1$ равно $\Delta C_1 = (\varepsilon_0 l/d)(\varepsilon – 1)\Delta H_1$ . Отсюда $\Delta C_1/C_1 = (\varepsilon – 1) \Delta H_1/(\varepsilon H_1 + H – H_1)$ . Из этой формулы следует, что относительное изменение ёмкости минимально, когда знаменатель $(\varepsilon H_1 + H – H_1)$ имеет наибольшее значение, т.е. при H_1 = H . Таким образом, относительное изменение ёмкости конденсатора $\Delta C/C > (\varepsilon – 1) \Delta H/(\varepsilon H)$ . Подставляя данные задачи, находим: $\Delta C/C > (24,2 – 1)\times 1/(24,2\times 2000) \approx 0,00048 = 0,05%$ . Следовательно, чтобы точность определения уровня спирта была не меньше ±1 мм, ёмкость надо измерять с относительной точностью выше 0,05%.